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        庫車前陸沖斷帶西部古近系鹽構(gòu)造三維離散元數(shù)值模擬

        2020-04-01 05:24:48李江海章雨王洪浩王殿舉
        石油勘探與開發(fā) 2020年1期
        關(guān)鍵詞:先存鹽巖工區(qū)

        李江海,章雨,王洪浩,王殿舉

        (1.造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院,北京 100871;2.北京大學(xué) 石油與天然氣研究中心,北京 100871)

        0 引言

        塔里木盆地庫車前陸沖斷帶油氣資源豐富,尤其是克深—大北含油氣區(qū)區(qū)帶面積達(dá)629.4 km2,天然氣資源量達(dá)10 797.62×108m3[1],具有良好的勘探前景。該區(qū)含豐富鹽巖層,鹽巖流動變形強(qiáng)烈,鹽上層多發(fā)育與滑脫相關(guān)的褶皺,鹽下層變形以沖斷為主,發(fā)育斷層相關(guān)褶皺及基底斷塊[2-5]。前人相關(guān)研究主要在以下幾個方面:①依據(jù)薄膜理論,借助彈塑性模型,認(rèn)為庫車前陸沖斷帶西段鹽構(gòu)造發(fā)育的初期階段,控制鹽體運(yùn)動與鹽構(gòu)造發(fā)育的主要因素是由拜城凹陷巨厚沉積物所導(dǎo)致的沉積差異負(fù)載作用,而后期影響庫車坳陷鹽構(gòu)造發(fā)育的最主要因素則是擠壓應(yīng)力[6];②基于地震解釋和平衡剖面研究,提出了吐孜瑪扎鹽墻和卻勒鹽推覆體的演化模式[7];③基于物理模擬實(shí)驗(yàn)認(rèn)為庫車鹽構(gòu)造變形主要受區(qū)域擠壓和同構(gòu)造沉積作用的影響[8];④綜合二維物理模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,總結(jié)了鹽巖邊界、區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力變化、差異負(fù)載(沉積負(fù)載和局部構(gòu)造負(fù)載)3個因素對庫車坳陷鹽構(gòu)造的影響作用[9];⑤基于二維離散元模擬研究,認(rèn)為應(yīng)變速率大小和作用時間、鹽巖展布形態(tài)、先存鹽底辟、基底先存斷裂以及基底古隆起等因素控制了庫車前陸沖斷帶鹽構(gòu)造的形成[10]。然而,以上研究均是基于二維數(shù)據(jù)的研究結(jié)果,僅能對單一剖面進(jìn)行模擬,不能從三維空間反映出鹽巖在垂直于主應(yīng)力方向上的側(cè)向流動及構(gòu)造樣式,造成了鹽構(gòu)造形成機(jī)制認(rèn)識不透徹。

        相較于二維離散元模型顆粒間的赫茲模型(Hertz-Mindlin model),三維離散元數(shù)值模擬提供的線彈性模型(linear springs model),能夠?qū)︻w粒和墻面單元的法向剛度和切向剛度兩個參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,地下鹽巖近似于牛頓流體,當(dāng)顆粒與顆?;蛘哳w粒與墻體之間發(fā)生接觸時,它們之間的作用力可通過力-位移關(guān)系計算得到,在分析大位移問題上具有更大的優(yōu)越性[11]。同時,允許顆粒之間進(jìn)行平行粘結(jié),類似于有一定體積的膠結(jié)材料作用在距接觸點(diǎn)一定范圍內(nèi),既能傳遞力又能傳遞力矩,可以更好的表現(xiàn)不同巖石的性質(zhì),更適用研究顆粒集合體的破裂以及流動問題[12]。本文結(jié)合前人理論認(rèn)識,以克深和大北兩個工區(qū)為例,采用三維離散元數(shù)值模擬方法,通過對鹽構(gòu)造主應(yīng)力方向和垂直擠壓方向的構(gòu)造分析,探討庫車前陸沖斷帶西部鹽構(gòu)造形成的控制因素及其形成機(jī)理。

        1 地質(zhì)背景

        庫車前陸沖斷帶位于塔里木盆地北部,夾持于南天山造山帶與塔北隆起之間,古近紀(jì)至中新世,庫車地區(qū)處于鹽湖、干旱湖泊-鹽湖的環(huán)境下,主要沉積了古近系庫姆格列木群膏鹽巖和新近系吉迪克組膏鹽巖,構(gòu)成了地區(qū)最主要的滑脫層,以庫車為界,前陸沖斷帶西部主要發(fā)育庫姆格列木群(E1—2km)鹽巖,分布范圍較廣,厚度較大,最厚處超過6 000 m;東部主要發(fā)育吉迪克組(N1j)鹽巖,分布面積較小,厚度也相對較小,最厚處約1 800 m[4-5,13-16](見圖1)。強(qiáng)烈的擠壓作用和鹽巖滑脫層的存在導(dǎo)致庫車前陸沖斷帶構(gòu)造變形在整體上具有“南北分帶、東西分段、上下分層”的特征,即從西到東以烏什凹陷、拜城凹陷和陽霞凹陷為主體分為 3段;自北而南劃分為北部單斜帶、克拉蘇—依奇克里克構(gòu)造帶、烏什—拜城—陽霞凹陷帶、秋里塔格構(gòu)造帶、南部斜坡帶共 5個構(gòu)造變形帶[3,17-19],其中,收縮型強(qiáng)變形帶(克拉蘇—依奇克里克構(gòu)造帶、秋里塔格構(gòu)造帶)分隔弱變形帶(北部單斜帶、中部凹陷帶、南部斜坡帶)??松睢蟊比S地震工區(qū)位于庫車前陸沖斷帶西部,庫姆格列木群鹽巖的存在,導(dǎo)致本區(qū)具有分層變形的特征[6]。

        圖1 庫車前陸沖斷帶構(gòu)造分區(qū)及鹽巖層厚度分布圖

        2 克深—大北三維工區(qū)地震解釋

        基于三維地震數(shù)據(jù)解釋可以看出,克深和大北工區(qū)地下鹽巖的空間展布存在較大差異(見圖2)。在東部的克深1-2工區(qū),鹽巖主要集中在北部由鹽下逆沖斷層形成的斷層三角帶中,南部則發(fā)育鹽撤向斜,鹽巖在向斜核部最薄,在部分區(qū)域甚至出現(xiàn)鹽焊接構(gòu)造;而在西部的大北工區(qū),鹽巖主要集中在南部的鹽背斜(大宛齊背斜)中,在背斜核部鹽巖最厚可超過6 000 m。在大北工區(qū)北部,鹽巖受吐孜瑪扎斷層影響,發(fā)育鹽刺穿構(gòu)造。在部分區(qū)域,鹽巖隨逆沖斷層沖破地表,形成鹽墻(吐孜瑪扎鹽墻)構(gòu)造。在位于克深 1-2工區(qū)和大北工區(qū)之間的克深 5工區(qū),地下鹽巖空間展布具有過渡的性質(zhì),在北部和南部均發(fā)育有鹽巖厚度中心。

        圖2 克深—大北三維地震工區(qū)聯(lián)合深度剖面

        以過克深 4井的骨干剖面(深度剖面)為例(見圖3),克深工區(qū)變形主要集中在北部的擠壓端,鹽上層、鹽巖層及鹽下層變形樣式存在較大區(qū)別。鹽上層變形以寬緩的大規(guī)模向斜為主,并顯示了生長地層的特征,在靠近擠壓端的部分區(qū)域,發(fā)育有滑脫褶皺和沖斷層;鹽巖層厚度從北向南變化較大,鹽巖多集中在靠近北部的斷層三角帶中,而南部鹽巖層厚度較?。畸}下層發(fā)育疊瓦狀逆沖斷層,越靠近擠壓端,鹽下地層的抬升幅度越大,斷層的斷距也越大,遠(yuǎn)離擠壓端的部分區(qū)域,發(fā)育有雙沖構(gòu)造。另外,從東到西,克深工區(qū)在平行主應(yīng)力方向剖面上的變形樣式大致相似。

        以過大北 3井的骨干剖面(深度剖面)為例(見圖4),大北工區(qū)鹽巖主要集中在南部的鹽背斜中,在剖面北部鹽巖發(fā)生底辟形成鹽墻(吐孜瑪扎鹽墻)構(gòu)造,在鹽背斜與鹽墻接觸的部位,鹽巖減薄。鹽下層變形樣式與克深工區(qū)類似,發(fā)育疊瓦狀逆沖斷層。鹽上層在遠(yuǎn)離擠壓端的位置發(fā)育背斜構(gòu)造,在鹽背斜和鹽墻接觸的部位發(fā)育小規(guī)模向斜構(gòu)造,向斜的一翼被鹽墻截切。從東到西,大北工區(qū)在平行主應(yīng)力方向剖面上的變形樣式存在一定區(qū)別,主要表現(xiàn)在工區(qū)中部平行主應(yīng)力方向的剖面上南部大宛齊背斜的隆升幅度較大,鹽巖層厚度較大,而向兩側(cè)大宛齊背斜隆升幅度逐漸減小,鹽巖層厚度也逐漸減小。

        圖3 庫車前陸沖斷帶西部克深工區(qū)過克深4井骨干地震剖面解釋圖(剖面位置見圖1,據(jù)文獻(xiàn)[10])

        圖4 庫車前陸沖斷帶西部大北工區(qū)過大北3井骨干地震剖面解釋圖(剖面位置見圖1)

        3 離散元數(shù)值模擬方法和初始模型設(shè)計

        3.1 離散元方法和實(shí)驗(yàn)參數(shù)

        離散元方法是一種基于離散顆粒間接觸準(zhǔn)則的數(shù)值模擬方法。通過時間-位移有限差分方法,計算顆粒在牛頓定律下移動,能有效模擬彈塑性變形過程[20]。離散元方法基于應(yīng)力與位移準(zhǔn)則進(jìn)行微粒位移變形計算,并允許微粒間的滑動與破裂,適應(yīng)于大應(yīng)變量構(gòu)造變形樣式分析模擬實(shí)驗(yàn),被廣泛應(yīng)用于模擬淺層地殼結(jié)構(gòu)、斷裂系及剪切帶變形過程[21-23]。本文采用離散元三維模擬的線彈性模型,其顆粒和墻面單元具有法向剛度和切向剛度兩個基本參數(shù),當(dāng)顆粒與顆?;蛘哳w粒與墻體之間發(fā)生接觸時,它們之間的作用力可通過力-位移關(guān)系計算得到。

        數(shù)值模擬研究中,首先設(shè)定模型不同的邊界條件,經(jīng)過多次調(diào)試,建立基礎(chǔ)幾何模型。模型與實(shí)際地質(zhì)體尺寸按1︰100比例設(shè)置,在長250 m(x軸)、寬250 m(y軸)、高150 m(z軸)的空間范圍內(nèi),按照顆粒半徑為1.5~2.0 m隨機(jī)生成顆粒,后設(shè)置重力因素,讓顆粒在重力狀態(tài)下自然壓實(shí)并達(dá)到平衡,然后逐步刪除頂部的顆粒,僅保留250 m×250 m×60 m范圍內(nèi)的顆粒。后對顆粒進(jìn)行屬性賦值,球心z軸坐標(biāo)范圍為0~20 m的顆粒設(shè)置為鹽下層,范圍在20~35 m的顆粒設(shè)置為鹽巖層,范圍在35~60 m的顆粒設(shè)置為鹽上層。選取每層的中間層位設(shè)置標(biāo)志層,便于對后期變形構(gòu)造進(jìn)行識別。

        合理的參數(shù)是數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。在通過三維顆粒流分析程序(PFC3D)進(jìn)行離散元數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)時,多通過三軸力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)的方法來確定顆粒的微觀參數(shù)。三軸力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)P褪怯梢粋€圓柱形墻面圍繞生成的顆粒體以及上下兩面壓縮板組成的。其中,上下兩面壓縮板在試樣壓縮過程中,上墻面對試樣進(jìn)行壓縮剪切,下墻面保持不動;圓柱形墻面在壓縮剪切過程中通過伺服系統(tǒng)維持恒定圍壓的工作。應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)的收集與整理是根據(jù)跟蹤墻面所受力的情況以及墻面相對位移決定的。通過大量的三軸力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn),并不斷調(diào)整模型中顆粒的參數(shù),根據(jù)比較模擬結(jié)果與試驗(yàn)室內(nèi)的結(jié)果,兩者吻合度很高時,數(shù)模模型中的各參數(shù)值就是實(shí)際材料的各微觀參數(shù)值。但在具體操作過程中,由于缺少庫車前陸沖斷帶西部鹽上層、鹽巖層及鹽下層完整的三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),基于塔里木物探中心地質(zhì)力學(xué)室?guī)r石試驗(yàn)及前人研究可獲得的庫車前陸沖斷帶西部鹽上層、鹽巖層和鹽下層部分巖石力學(xué)參數(shù)如下:鹽上層和鹽下層巖石密度分別為2 400 kg/m3和2 600 kg/m3,巖石的彈性模量、泊松比和內(nèi)聚力均為60 MPa、0.25和10 MPa,內(nèi)摩擦角分別為35°和40°。鹽巖層黏度為1×1019Pa,體積模量和剪切模量分別為1×104MPa和1×103MPa[9,24-26]。本文在實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選取中采用三軸力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)調(diào)試并參考前人相關(guān)模擬參數(shù)的方法[27-29],具體采用的顆粒相關(guān)參數(shù)可見表1。

        表1 離散元模擬巖石微觀物理學(xué)參數(shù)

        本文認(rèn)為地下鹽巖近似于牛頓流體,采用的模型為線性模型,而鹽上地層和鹽下地層則均采用常用的平行粘結(jié)模型[30-32],顆粒之間通過平行粘結(jié)進(jìn)行接觸,既能傳遞力,也能傳遞力矩。在鹽巖顆粒與鹽上地層及鹽下地層接觸的邊界,顆粒之間采用的模型也是平行黏結(jié)模型,具體參數(shù)可見表1。此外,在模擬過程中墻體的法向剛度和切向剛度均設(shè)置為 1×1010N/m,墻體與顆粒之間的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.5,模型右側(cè)剛性墻體以1 m/s的速率向x軸負(fù)方向進(jìn)行擠壓。

        3.2 初始模型設(shè)計

        在以上工作的基礎(chǔ)上,實(shí)際工區(qū)的初始模型建立,參考了前人物理、數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)以及平衡剖面研究總結(jié)的演化模式[7,33]及鹽巖變形的影響因素,包括:鹽巖分布[6]、基底構(gòu)造[15]、先存斷裂、先存底辟[10]以及南天山差異推覆作用影響[34-35]。

        3.2.1 克深工區(qū)初始模型

        模型在擠壓端設(shè)置了 2條先存斷裂,分別為過點(diǎn)(170,0,20)與y軸平行,與xOy平面夾角呈 45°的平面以及過點(diǎn)(205,0,25)與y軸平行,與xOy平面夾角呈60°的平面。先存斷裂導(dǎo)致靠近擠壓端的基底發(fā)生抬升,抬升呈階梯狀,被抬升的鹽下層厚度分別為25 m、30 m,而遠(yuǎn)離擠壓端鹽下層的厚度為20 m?;仔螒B(tài)的改變同樣影響了鹽巖層的厚度,在靠近擠壓端鹽巖層厚度最薄,為5 m,而遠(yuǎn)離擠壓端鹽巖層的厚度為15 m,鹽巖層頂部與水平面平行(見圖5)。

        此外,還在上述模型的基礎(chǔ)上添加了顆粒的同沉積作用。本模型中同沉積顆粒共設(shè)置了 2批,在初始模型中設(shè)置了第1批同沉積顆粒,第1批同沉積顆粒共5 000個,大小為1.5~2.0 m,顆粒在x軸范圍為0~125 m、y軸范圍為0~250 m、z軸范圍為100~125 m內(nèi)隨機(jī)生成(見圖5),顆粒的自身屬性與鹽上層顆粒屬性保持一致,在重力作用下,逐漸下落至穩(wěn)定,用以模擬同沉積作用在擠壓過程中對于模型的影響。模型在運(yùn)行100 000步時,設(shè)置第2批同沉積顆粒,第2批同沉積顆粒的生成范圍、屬性均與第 1批同沉積顆粒相同。

        圖5 庫車前陸沖斷帶西部克深工區(qū)三維離散元模型圖

        3.2.2 大北工區(qū)初始模型

        大北工區(qū)南部大宛齊背斜處發(fā)育古鹽湖的中心[36],因此本模型在遠(yuǎn)離擠壓端的位置增加了鹽巖層的厚度,且鹽巖層的厚度向周緣呈階梯狀遞減,用來模擬古鹽湖沉積。其中在x軸范圍為30~110 m、y軸范圍為85~165 m,鹽巖厚度最厚,為27 m;在x軸范圍為20~120 m、y軸范圍為75~175 m,鹽巖層厚度為23 m;在x軸范圍為10~130 m、y軸范圍為65~185 m,鹽巖層厚度為19 m;在其余范圍內(nèi),鹽巖層厚度為15 m(見圖6)。此外,大北工區(qū)北部吐孜瑪扎鹽墻由先存鹽底辟發(fā)育而來[7],因此本模型在靠近擠壓端的位置設(shè)置了先存線狀鹽底辟。先存線狀鹽底辟位于鹽巖層之上,其延伸方向與y軸方向平行,底辟最右端距擠壓墻體65 m,寬度為20 m,高度為20 m,底辟頂部在xOz平面上具有一定的弧度。

        然后在模型靠近擠壓端的位置設(shè)置了 5條先存斷裂,分別為過點(diǎn)(125,0,20)、(150,0,20)、(175,0,20)、(200,0,20)、(225,0,20)與y軸平行,與xOy平面夾角呈45°的平面。本模型與克深工區(qū)模型不同,未設(shè)置靠近擠壓端的基底隆起,先存斷裂未刺穿到鹽巖層內(nèi)部。此外,本模型同樣添加了顆粒的同沉積作用,同沉積顆粒共設(shè)置了 2批,在初始模型中設(shè)置了第1批同沉積顆粒,第1批同沉積顆粒共2 000個,顆粒大小為1.5~2.0 m,顆粒在x軸范圍為100~150 m、y軸范圍為0~250 m、z軸范圍為100~120 m隨機(jī)生成(見圖6)。同樣,模型在運(yùn)行100 000步時,設(shè)置第2批同沉積顆粒,第2批同沉積顆粒的生成范圍、屬性均與第1批同沉積顆粒相同。

        圖6 庫車前陸沖斷帶西部大北工區(qū)三維離散元模型圖

        4 離散元數(shù)值模擬變形結(jié)果分析

        4.1 克深工區(qū)模型模擬結(jié)果

        從主應(yīng)力方向的剖面(過點(diǎn)(0,125,0),法向量為(0,1,0))中可以看出,模型的變形主要集中在擠壓端,且變形是前展式的,靠近擠壓端的鹽下層先存斷裂最先活化,基底早期隆起發(fā)生進(jìn)一步抬升,隨著擠壓作用的持續(xù)進(jìn)行,模型的縮短量進(jìn)一步增加,先存斷層傾角逐漸增大,斷距逐漸增加,刺穿到鹽巖層內(nèi)部。且向遠(yuǎn)離擠壓端的方向,鹽下地層新的逆沖斷層逐漸發(fā)育,形成疊瓦狀逆沖構(gòu)造(見圖7)??拷鼣D壓端的鹽上地層在擠壓作用下形成大規(guī)模背斜,而同沉積作用導(dǎo)致遠(yuǎn)離擠壓端的鹽上地層厚度增加,并形成大規(guī)模的向斜構(gòu)造。隨著擠壓作用的持續(xù)進(jìn)行,向斜和背斜的結(jié)合部位逐漸變得陡立,在模型運(yùn)算到200 000步時,其翼部發(fā)生倒轉(zhuǎn),形成倒轉(zhuǎn)背斜和倒轉(zhuǎn)向斜構(gòu)造(見圖7)。

        考慮到后期的剝蝕去頂作用,對模型中部平行主應(yīng)力方向的剖面進(jìn)行頂部截切(見圖8b)?;趯Ρ瓤梢钥闯觯P瓦\(yùn)算140 000步后過模型中部平行主應(yīng)力方向剝蝕去頂后的剖面與克深工區(qū)過克深 4井骨干地震剖面(見圖3)在形態(tài)上具有較大的相似性。

        對比遠(yuǎn)離擠壓端(過點(diǎn)(100,0,0),法向量(1,0,0))和靠近擠壓端(過點(diǎn)(150,0,0),法向量(1,0,0))垂直主應(yīng)力方向的剖面,模擬結(jié)果可以看出,在遠(yuǎn)離擠壓端垂直主應(yīng)力方向的剖面上,各層變形較弱,鹽內(nèi)幕標(biāo)志層基本未發(fā)生變形,而在靠近擠壓端垂直主應(yīng)力方向的剖面上,由于剖面橫切過鹽巖的厚度中心,鹽巖層厚度較大,且鹽巖層頂面呈現(xiàn)出不規(guī)則的樣式(見圖9)。此外,在靠近擠壓端垂直主應(yīng)力方向的剖面上,鹽內(nèi)幕標(biāo)志層可見復(fù)雜的褶皺樣式,部分區(qū)域存在標(biāo)志層錯斷的現(xiàn)象,表明靠近擠壓端的位置,鹽巖存在較強(qiáng)的側(cè)向流動。

        圖10計算了模型140 000步顆粒運(yùn)動矢量。從圖中可以看出,隨著擠壓作用的持續(xù)進(jìn)行,模型中顆??拷鼣D壓端運(yùn)動速率較大,遠(yuǎn)離擠壓端運(yùn)動速率非常小,運(yùn)動速率最大的區(qū)域?yàn)辂}上層靠近擠壓端的位置,鹽巖層至鹽下層顆粒運(yùn)動速率逐漸減小,說明構(gòu)造變形基本集中在靠近擠壓端,從鹽下層至鹽上層變形逐漸增強(qiáng),本區(qū)巖石容易破裂形成逆沖斷裂。此外,鹽巖層顆粒具有相對較大的向上的速度分量,導(dǎo)致擠壓區(qū)巖層逐漸上拱形成背斜,且垂直主應(yīng)力方向上顆粒有向中部運(yùn)動的速度分量,且越靠近中部、運(yùn)動速率越大,說明背斜內(nèi)部鹽巖層較厚并具有復(fù)雜的內(nèi)幕構(gòu)造。

        圖7 克深工區(qū)典型鹽構(gòu)造演化剖面圖(主應(yīng)力方向)

        圖8 克深工區(qū)典型鹽構(gòu)造演化剖面圖(模型中部位置)

        圖9 克深工區(qū)典型鹽構(gòu)造演化剖面圖

        圖10 克深工區(qū)典型鹽構(gòu)造演化顆粒運(yùn)動矢量圖

        4.2 大北工區(qū)模型模擬結(jié)果

        從大北工區(qū)模擬結(jié)果主應(yīng)力方向剖面中可以看出(見圖11),模型的變形是前展式的,變形更多的集中在擠壓端。鹽下層變形相對簡單,先存斷裂發(fā)生再活化,斷層的斷距逐漸增加,且靠近擠壓端的斷層傾角逐漸增大。在模型運(yùn)算150 000步及200 000步過模型中部平行主應(yīng)力方向的剖面上,可見新的基底斷裂發(fā)育。鹽巖層的變形以流動變形為主,持續(xù)的擠壓作用導(dǎo)致靠近擠壓端的先存鹽底辟在剖面上的寬度逐漸變窄,但底辟高度逐漸增加,形成鹽墻構(gòu)造,且鹽墻逐漸向遠(yuǎn)離擠壓端發(fā)生傾斜。在遠(yuǎn)離擠壓端,前期設(shè)置的鹽巖厚度中心在擠壓作用下形成鹽背斜。而同沉積作用形成的差異負(fù)載導(dǎo)致模型中部的鹽巖層發(fā)生減薄,鹽巖更多的向遠(yuǎn)離擠壓端的鹽背斜聚集。鹽上層變形以褶皺變形為主,在擠壓作用下,靠近擠壓端和遠(yuǎn)離擠壓端的鹽上層發(fā)育背斜,而模型中部在同沉積作用下發(fā)生沉降,形成向斜構(gòu)造。同時,鹽底辟兩側(cè)鹽上層的標(biāo)志層可見錯斷現(xiàn)象。

        基于模型中部平行主應(yīng)力方向剝蝕去頂后的剖面與大北工區(qū)過大北 3井骨干地震剖面,在形態(tài)上具有較大的相似性(見圖12)。除鹽下層逆沖斷層的具體數(shù)量及鹽墻的形態(tài)與實(shí)際地震剖面存在一定差別外,模擬結(jié)果中鹽上層、鹽巖層及鹽下層的變形樣式與實(shí)際地震剖面非常類似。

        圖11 大北工區(qū)典型鹽構(gòu)造演化剖面圖(主應(yīng)力方向,地層劃分及擠壓方向同圖6)

        圖12 大北工區(qū)典型鹽構(gòu)造演化剖面圖(模型中部位置)

        圖13 大北工區(qū)典型鹽構(gòu)造演化剖面圖

        遠(yuǎn)離擠壓端垂直主應(yīng)力方向選取過點(diǎn)(70,0,0)、法向量(1,0,0)的剖面,剖面橫切過鹽背斜;靠近擠壓端垂直主應(yīng)力方向選取過點(diǎn)(155,0,0)、法向量(1,0,0)的剖面,剖面橫切過鹽墻。從圖13中可以看出,在遠(yuǎn)離擠壓端垂直主應(yīng)力方向的剖面上,各層變形較弱,鹽內(nèi)幕標(biāo)志層僅在局部形成小規(guī)模褶皺,表明在遠(yuǎn)離擠壓端鹽巖的側(cè)向流動較弱。而在靠近擠壓端垂直主應(yīng)力方向的剖面上,由于剖面橫切過鹽底辟,剖面上鹽巖展布較為復(fù)雜,部分鹽體在剖面上與鹽源層分離。且由于邊界墻體的阻礙作用,在剖面的兩側(cè),可見鹽上層標(biāo)志層被鹽底辟錯斷的現(xiàn)象。鹽內(nèi)幕標(biāo)志層相比遠(yuǎn)離擠壓端剖面變形更加復(fù)雜,褶皺變形的幅度更加強(qiáng)烈,在部分區(qū)域可見標(biāo)志層錯斷的現(xiàn)象,表明在靠近擠壓端鹽巖的流動性更強(qiáng)。

        圖14為模型運(yùn)算140 000步顆粒運(yùn)動矢量。從圖中可以看出,隨著擠壓作用的持續(xù)進(jìn)行,模型中顆??拷鼣D壓端運(yùn)動速率較大,遠(yuǎn)離擠壓端運(yùn)動速率較小,但速率減慢相對平緩,遠(yuǎn)離擠壓端仍具有一定的運(yùn)動速率,說明在先存線狀鹽底辟及初始鹽巖沉積中心的影響下,地層受擠壓變形的范圍更大。先存底辟、鹽巖沉積中心及其鹽上層顆粒均有相對較大的向上的速度分量,導(dǎo)致靠近擠壓端底辟逐漸上拱形成鹽墻、遠(yuǎn)離擠壓端鹽巖及上覆層逐漸上隆。此外,垂直主應(yīng)力方向上兩側(cè)顆粒有向中部運(yùn)動的速度分量,中部顆粒則表現(xiàn)為向上和沿擠壓力方向向前的運(yùn)動趨勢,導(dǎo)致鹽巖逐漸向中部聚集并在中部上拱,鹽內(nèi)幕構(gòu)造更加復(fù)雜。

        圖14 大北工區(qū)典型鹽構(gòu)造演化顆粒運(yùn)動矢量圖

        5 討論

        三維離散元數(shù)值模擬過程較為復(fù)雜,計算量與二維離散元數(shù)值模擬相比呈指數(shù)增長,對特定研究區(qū)的定量模擬難度較大[20-23]。庫車前陸沖斷帶西部克深、大北工區(qū)鹽構(gòu)造樣式復(fù)雜且研究區(qū)范圍較大,在模擬中主要采用定性模擬的方法,通過設(shè)定模型不同的邊界條件,來探討本區(qū)鹽構(gòu)造形成的主控因素。與二維模擬結(jié)果相比,三維模擬可以更好地探討不同因素對于鹽構(gòu)造及鹽內(nèi)幕構(gòu)造的影響,能夠?qū)χ鲬?yīng)力方向剖面及垂直主應(yīng)力方向的剖面模擬結(jié)果進(jìn)行綜合分析,兩個方向上鹽構(gòu)造均有明顯的分段性,且模擬結(jié)果與實(shí)際地質(zhì)現(xiàn)象較為符合。

        研究區(qū)是由于印度板塊和歐亞板塊碰撞,導(dǎo)致天山新生代再活化,并在南天山山前形成前陸沖斷帶[37]??松罟^(qū)和大北工區(qū)處于相同的盆山構(gòu)造體系,鹽構(gòu)造在主應(yīng)力方向上變形整體上是前展式的,主要集中在山前,局部存在垂向遷移??松罟^(qū)山前的擠壓應(yīng)力導(dǎo)致基底先存斷裂發(fā)生再活化,使早期隆升的基底進(jìn)一步發(fā)生抬升[15],隨著擠壓應(yīng)力的向前傳播,新的逆沖斷層在鹽下不斷發(fā)育,形成疊瓦狀逆沖構(gòu)造。鹽巖層的形態(tài)受到山前擠壓作用和同沉積作用的雙重影響,遠(yuǎn)離山前的同沉積作用會對鹽巖層形成差異負(fù)載,導(dǎo)致遠(yuǎn)離山前的鹽巖具有鹽撤的趨勢,而山前的擠壓作用導(dǎo)致鹽巖層有向遠(yuǎn)離山前流動的趨勢,在同沉積作用和擠壓作用的雙重作用下,遠(yuǎn)離山前的鹽巖層厚度基本保持穩(wěn)定,而在山前,鹽巖同時具有沿斷裂隆升部位向上運(yùn)動的速度分量,并在鹽下基底斷層形成的鹽三角帶中聚集,形成本區(qū)鹽巖的厚度中心。大北工區(qū)來自山前的擠壓應(yīng)力同樣導(dǎo)致基底先存斷裂發(fā)生再活化,逐漸發(fā)育新的逆沖斷層并形成疊瓦狀逆沖構(gòu)造。此外,漸新統(tǒng)蘇維依組—第四系礫巖為山前河流-洪積扇相沉積,前積作用導(dǎo)致鹽上存在差異負(fù)載,進(jìn)而形成先存底辟[7]。擠壓應(yīng)力導(dǎo)致先存線狀鹽底辟進(jìn)一步發(fā)育,鹽巖在沿主應(yīng)力方向運(yùn)動時相對于周圍地層有較大的垂向運(yùn)動的速度分量,形成吐孜瑪扎鹽墻。據(jù)文獻(xiàn)[36],大宛齊背斜處發(fā)育有古鹽湖的沉積中心,原地積聚有較厚的鹽層,鹽巖后期同沉積作用形成的差異負(fù)載導(dǎo)致工區(qū)中部的鹽巖層發(fā)生減薄,鹽巖繼續(xù)在大宛齊鹽背斜處聚集并上隆,形成工區(qū)的厚度中心。

        垂直主應(yīng)力方向的剖面顯示,在擠壓端位置,兩個工區(qū)兩側(cè)鹽巖有向中部運(yùn)動的速度分量,中部則表現(xiàn)為向上和沿擠壓力方向向前的運(yùn)動趨勢,且越靠近中部運(yùn)動速率越大,導(dǎo)致鹽巖逐漸向中部聚集并在中部上拱,鹽內(nèi)幕構(gòu)造更加復(fù)雜,形成的鹽構(gòu)造以復(fù)雜褶皺樣式為主,且存在與源鹽分離的構(gòu)造組合,按此趨勢,在部分區(qū)域(尤其在工區(qū)中部),鹽巖會隨逆沖斷層沖破地表;而在遠(yuǎn)離擠壓端,鹽巖仍有向中部運(yùn)動的速度分量,但側(cè)向流動能力相對降低,各層變形減弱,在非厚層原始鹽巖沉積區(qū),鹽內(nèi)幕標(biāo)志層僅在局部形成小規(guī)模褶皺。

        6 結(jié)論

        基于數(shù)值模擬與工區(qū)真實(shí)剖面對比,可認(rèn)為靠近擠壓端基底的早期隆起、先存斷裂以及同沉積作用是影響克深工區(qū)鹽構(gòu)造樣式形成的重要因素,而鹽巖層的初始沉積中心、先存鹽底辟、先存斷裂系以及同沉積作用是影響大北工區(qū)鹽構(gòu)造樣式形成的重要因素。

        三維離散元數(shù)值模擬表明,顆粒的運(yùn)動主要集中在靠近擠壓端,從鹽下層至鹽上層逐漸增強(qiáng)??松詈痛蟊惫^(qū)的變形是前展式的,集中在山前,來自山前的擠壓應(yīng)力導(dǎo)致基底先存斷裂發(fā)生再活化,同時新的逆沖斷層從鹽下開始不斷發(fā)育,形成疊瓦狀逆沖構(gòu)造??拷角暗柠}內(nèi)及鹽上變形更為強(qiáng)烈,發(fā)育復(fù)雜的褶皺樣式。

        克深工區(qū)在遠(yuǎn)離山前的同沉積作用及山前的擠壓作用下,遠(yuǎn)離山前的鹽巖層厚度基本保持穩(wěn)定,而在山前,由于早期隆升的基底進(jìn)一步抬升,鹽巖層具有相對較大的向上速度分量,導(dǎo)致巖層逐漸上拱形成背斜,鹽巖集中在鹽下基底斷層形成的鹽三角帶中,形成鹽巖的厚度中心。

        大北工區(qū)靠近山前線狀鹽底辟在擠壓應(yīng)力下,具有向上運(yùn)動的速度分量,進(jìn)一步發(fā)育形成吐孜瑪扎鹽墻,工區(qū)中部的鹽巖層因后期同沉積作用形成的差異負(fù)載而減薄,鹽巖向古鹽湖的沉積中心處運(yùn)動并向上聚集,逐漸形成大宛齊背斜,成為鹽巖的厚度中心。

        相較于二維模擬研究,三維模擬能夠完成鹽構(gòu)造主應(yīng)力方向及其垂直方向的多角度分析,鹽構(gòu)造形成過程中主要在靠近擠壓端的鹽巖具有較強(qiáng)的側(cè)向流動性,鹽巖有向中部運(yùn)動的速度分量,且越靠近中部運(yùn)動速率越大,導(dǎo)致鹽巖向中部聚集并強(qiáng)烈變形,發(fā)育復(fù)雜的褶皺樣式并出現(xiàn)鹽構(gòu)造與源鹽分離的構(gòu)造組合,局部隨逆沖斷層沖破地表。

        致謝:感謝中國石油塔里木油田勘探開發(fā)研究院黃少英、能源、王兵和曹淑娟等專家在地震資料處理工作中的耐心指導(dǎo)與幫助!

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